露天煤矿抛掷爆破缓冲孔爆破优化与效益分析

宋 日

(神华准格尔能源有限责任公司炸药厂， 内蒙古鄂尔多斯 010300)



露天煤矿抛掷爆破缓冲孔爆破优化与效益分析

宋 日

(神华准格尔能源有限责任公司炸药厂， 内蒙古鄂尔多斯 010300)

摘要：黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破预裂孔前两排缓冲孔一直沿用气体间隔器分段装填现场混装多孔粒状铵油炸药，在5～10天的装药过程中易产生炮孔塌陷，增加爆破成本。通过对此问题进行分析，采取了在缓冲孔内连续装填现场混装低密度铵油炸药，不仅提高了装填效率，缩短了装药时间，而且提高了炮孔利用率；实现了炸药能量在炮孔轴线上的均匀分布，对于预裂孔贯穿裂缝的形成及宽度的保持十分有利，也有利于边坡的稳定。同时，降低了爆破成本，创造了良好的经济效益，可为同类爆破提供参考。

关键词：露天煤矿； 抛掷爆破； 缓冲孔； 爆破优化； 低密度铵油炸药； 经济效益

1引 言

抛掷爆破是指利用炸药爆炸所释放出的能量将岩体破碎的同时，还要将一部分破碎体(岩石)沿最小抵抗线方向抛到一定距离处，并堆积成一定形状的爆破方法〔1〕。露天矿爆破抛掷效果取决于使用炸药的类型、炸药单耗、工程地质条件、预裂爆破效果及孔网参数等多个因素〔2〕。

2006年，黑岱沟露天煤矿引进了抛掷爆破技术。2007年3月1日～2016年3月7日，共进行了143次抛掷爆破，爆破量21 864.25万m3，消耗铵油炸药、重铵油炸药、乳化炸药合计154 451.2t，平均单耗0.739kg/m3，平均有效抛掷率33.76%，达到了预期目标。技术人员通过对核心技术的研究，自主研发了一种超低密度乳化炸药及其制备方法，满足了大型露天矿山深孔预裂爆破要求〔3〕。在此基础上进一步研制了密度为0.4g/cm3～0.6g/cm3的低密度铵油炸药。这两种低密度炸药的研制成功改善了黑岱沟露天煤矿高台阶预裂爆破效果，提高了边坡的稳定性〔4〕。尽管如此，预裂坡面有时仍有局部片帮的现象，给作业的钻机、电铲、爆破工等带来安全风险。同时，爆堆沉降高度偏低增加了辅助设备的工程量〔5〕。究其原因，主要是预裂孔的前两排缓冲孔一直沿用气体间隔器分段装药，炸药能量分布不均，装药效率低，预装药时间长，炸药的能量有较大的损失。实施抛掷爆破以来，在分段装药过程中，间隔器气体泄漏而造成的塌孔，每次爆破都有3～5个，雨季更加严重，最多的一次塌孔达20多个。重新钻孔装药，每孔不仅浪费近1万元的炸药与钻孔费用，更主要的是改变了爆破参数，无法按计划时间起爆。针对此问题，本文利用自主研制的低密度铵油炸药、采取连续装药，孔内无间隔器等措施对缓冲孔爆破进行优化，并对经济效益进行了分析。

2缓冲孔参数优化

2.1爆破参数优化条件

2.1.1岩石特性

在进行具体的爆破设计时，设计计算参数的选取与岩性有密切关系，其中包括炸药品种的选择、炸药单耗的确定、各种岩石的爆后松散系数、抛掷系数和塌散系数〔6〕。黑岱沟露天煤矿岩石的种类主要为深灰色的砂岩、黑色的泥岩、黑灰色的砂质页岩，比重为2.40g/cm3～2.81g/cm3，容重为2.12g/cm3～2.59g/cm3，天然含水率为0.47%～2.8%，普氏系数f为3～5，岩石的可爆性较好，对炸药品种的选择比较宽泛。

2.1.2炸药品种及性能

炸药的品种及性能如表1所示。

表1　现场混装炸药品种及性能

注：铵油炸药的爆速测试用φ50mm×5mm钢管约束；乳化炸药、重铵油炸药、低密度铵油炸药均用φ150mm×3mmPVC管约束。

爆速既是炸药的主要爆轰参数，又是衡量炸药爆轰性能的一项重要指标，获得爆速就可以估算出炸药其他的爆轰参数〔7〕。例如，爆轰压是爆速平方与密度的函数，爆速的大小直接影响炸药爆轰压的大小。

2.1.3装药结构

之前的装药结构为：抛掷孔前几排底部装重铵油炸药，上部装铵油炸药，后几排上下全部装铵油炸药，均采用连续装药结构；缓冲孔和预裂孔均采用气体间隔器分段间隔装药。2016年3月7日开始实施的西区第2次抛掷爆破，缓冲孔采用了低密度铵油炸药连续装药结构。

2.1.4起爆器材

利用数码雷管将抛掷爆破排距、孔距参数由高精度非电雷管时的8m×11m优化为7m×12m，延时时间由100ms、150ms、200ms优化为330ms、280ms、220ms、180ms。数码雷管的应用，提高了有效抛掷率，节约了吊斗铲倒堆的生产成本。

2.2爆破设计

2.2.1孔网布置和目标要求

吊斗铲技术改造后的露天煤矿上部工作线长度为2 200m，下部为2 100m〔8〕。2016年，西区第2次抛掷爆破炮区位于1130水平西部，长480m，宽85m，平均孔深41.4m，爆破量1 536 231m3。抛掷爆破孔网布置如图1所示。

注：A-J为抛掷爆破孔，K、L为缓冲爆破孔，Y为预裂爆破孔图1　抛掷爆破孔网布置Fig.1　Network layout of casting blastholes

设计采用K、L两排缓冲爆破孔，要达到以下目标：①预裂爆破后形成大于10mm的完整缝隙；②预裂面不平整度应小于±15cm，残留半孔率达到85%以上；③爆堆形状理想，爆堆沉降>15m，尽可能减少推土机作业量，但也要符合电铲刷帮高度；④抛掷爆破有效抛掷率保持2015年平均值(36.33%)，力争略有提高，减少吊斗铲倒堆量；⑤缩短预装药时间1天，爆破成本小幅下降；⑥爆破块度均匀，满足吊斗铲倒堆要求。

2.2.2爆破参数的确定

(1)孔径D：采用牙轮钻机钻孔直径D=310mm。

(2)台阶高度H=34.0m～44.6m，取平均高度H=37.5m。

(3)孔深l：l=(H-h)/sinα，为了提高有效抛掷率，钻倾斜孔，倾角α=65°，与台阶坡面一致。考虑到岩石层下部是煤，为了不破坏煤层，采取欠深的形式留一定的保护层h，做到既不破坏煤层，又不产生较大的根底。K、L两排炮孔欠深为0.2m，孔深l=41.2m。

(4)底盘抵抗线W：采用经验公式W=0.036D(dE/dR)1/3计算〔9〕。式中：D为炮孔直径，mm；dE为炸药的密度；dR为岩石的密度。W≈7.0m。

(5)孔距a：a=mW，m为炮孔密集系数，一般取1～2，a=1.7×7≈12.0m。

(6)排距b：对于抛掷爆破，排距不大于最小抵抗线，取b=7m。

(7)欠深：炮孔欠深由前往后逐排递减，A排孔欠深3m，预裂孔欠深0m(图1)。

(8)每米炮孔装药量〔9〕：q=0.785D2·dE=0.785×0.3102×0.50=0.038t/m；Y排预裂孔与L排缓冲孔间距一般为抛掷爆破孔排间距的1/2，取4.0m，L排每孔装药量1.320t，K排每孔装药量1.358t。

(9)填塞长度：采用公式l填=(1.0～1.5)b计算，取l填=7.0m。

3爆破效果与成本分析

3.1爆破效果分析

评价抛掷爆破的好坏首要参考抛掷率，这是采用抛掷爆破技术的原因〔10〕。有效抛掷率是指剥离台阶经过抛掷爆破后，抛掷到采空区的爆破量(拉斗铲倒堆剥离和采煤作业时无需进行倒堆)与总爆破量的比值〔11〕。虽然有效抛掷率越大，抛掷到采空区的岩石量越多，相对减少吊斗铲倒堆量，减少剥离成本，但是有效抛掷率也并非越高越好，还应综合考虑爆破成本与吊斗铲剥离倒堆成本，应使露天总剥离成本达到最小，因此，有效抛掷率存在一个合理的范围。在爆破成本不提高或略有降低的前提下，通过优化炮孔孔网参数、炸药品种配方、装药结构、起爆网路等技术，最大限度提高抛掷率。本次抛掷爆破在爆破成本降低的情况下，有效抛掷率达到了39.0%，较2015年的平均值提高了2.67%，爆破效果较为理想。有效抛掷率计算剖面如图2所示。

图2　有效抛掷率计算剖面图Fig.2　Calculation profile of effective casting rate

爆堆形状应有利于吊斗铲倒堆作业，爆堆的沉降应大于15m，爆堆形状接近梯形断面，爆堆顶面平整，并尽量减少推土机平整工作量，同时兼顾电铲刷帮的标高要求。

图3　爆堆Fig.3　Blasting muckpile

本次抛掷爆破爆堆如图3所示。爆堆沉降高度15m～17m。推土机平整工作量较以往下降。岩石块度均匀，适合吊斗铲倒堆作业。

预裂爆破缝隙清晰，如图4所示，无后冲、片帮现象。经测算，边坡残留半孔率达到85%。

图4　预裂爆破效果Fig.4　 Effect of presplitting blasting

K、L两排缓冲爆破炮孔采用低密度铵油炸药连续装药，密度为0.50g/cm3，单耗为0.44kg/m3；采用多孔粒状铵油炸药分段装药，密度为0.85g/cm3，单耗为0.49g/cm3，单耗降低了0.05g/cm3，降低率达10.2%。

3.2爆破成本分析

K、L两排缓冲孔每排41个，共82个，分段装多孔粒状铵油炸药的成本如表2所示，连续装低密度铵油炸药的成本如表3所示。

对比分析表2和表3可知，节约炸药成本6 607.56元；节约间隔器成本11 480元；每孔少用1发起爆具，节约17元，少用1发数码雷管，节约260元，起爆器材节约成本22 714元。本次缓冲爆破节约炸药、间隔器、起爆器材合计40 801.56元。每年按18次抛掷爆破计算，一年可节约成本约73万元。

表2　分段装多孔粒状铵油炸药成本

表3　连续装低密度铵油炸药成本

据不完全统计，黑岱沟露天煤矿抛掷爆破，使用空气间隔分段预装铵油炸药，因预装药时间长、雨季影响等原因，每年塌孔数约100个，浪费成本约100万元。上述两项，每年可为黑岱沟露天煤矿节约成本173万元，有效降低了爆破成本。

4结 语

(1)在黑岱沟露天煤矿抛掷爆破缓冲孔采用低密度铵油炸药、连续装药结构，提高了装药效率，缩短了预装药时间，有效地提高了炸药能量的利用率，取得了良好的爆破效果。

(2)解决了抛掷爆破缓冲孔分段装药易塌孔的难题，提高了炮孔利用率和生产效率。

(3)在保证抛掷爆破有效抛掷率的前提下，降低了爆破材料成本，取得了良好的经济效益。

(4)抛掷爆破缓冲孔采用连续装药结构的爆破孔网参数设计，需要综合考虑抛掷孔、缓冲孔、预裂孔的共同作用，在以后的研究和实践中进一步优化完善。

参考文献(References)：

〔1〕 郭昭华. 露天煤矿无运输倒堆开采技术及应用研究[M]. 北京:煤炭工业出版社，2012:111-174.

GUO Zhao-hua. Study and application of the technology for no transport and dragline in open pit coal mine[M]. Beijing:Coal Industry Press, 2012:111-174.

〔2〕 张兆亮,马力,彭洪阁,等. 基于云模型的露天矿抛掷爆破效果综合评价[J]. 工程爆破,2013,19(2)：40-43.

ZHANG Zhao-liang，MA Li，PENG Hong-ge,et al. Comprehensive evaluation of the casting blast effect in open-pit coal mine based on cloud model[J]. Engineering Blasting,2013,19(2)：40-43.

〔3〕 郭昭华,宋日,刘万荣. 一种超低密度乳化炸药及其制备方法: ZL 201010161873.2[P]. 2012-04-27.

GUO Zhao-hua，SONG Ri，LIU Wan-rong. A low density of emulsion explosive and its preparation method:ZL 201010161873.2[P]. 2012-04-27.

〔4〕 闫海勇. 散装超低密度乳化炸药在露天矿抛掷爆破中的应用[J]. 露天采矿技术，2015,30(10)：25-26.

YAN Hai-yong. Application of bulk ultra-low density emulsion explosive in open-pit mine casting blast [J]. Opencast Mining Technology,2015,30(10):25-26.

〔5〕 张勇. 黑岱沟露天煤矿高台阶抛掷爆破分析[J]. 露天采矿技术,2008,23(5):43-44.

ZHANG Yong. Analysis of high bench casting blast analysis for Heidaigou open pit coal mine [J]. Opencast Mining Technology,2008,23(5):43-44.

〔6〕 于亚伦. 工程爆破理论与技术[M]. 北京:冶金工业出版社,2007.

YU Ya-lun. Engineering blasting theory and technology[M]. Beijing:Metallurgical Industry Press,2007.

〔7〕 汪旭光. 乳化炸药[M]. 2版. 北京:冶金工业出版社,2008:405-410.

WANG Xu-guang. Emulsion explosive[M]. 2nd ed. Beijing:Metallurgical Industry Press,2008:405-410.

〔8〕 张平宽,王桂林,王平亮. 拉斗铲倒堆剥离工艺在黑岱沟露天煤矿的应用[J]. 露天采矿技术,2009,24(5):30-31.

ZHANG Ping-kuan, WANG Gui-ling, WANG Ping-liang. Application of dragline to stripping in Heidaigou open pit coal mine [J]. Opencast Mining Technology, 2009,24(5):30-31.

〔9〕 黄绍钧. 工程爆破设计[M]. 北京:兵器工业出版社,2000.

HUANG Shao-jun. Engineering blasting design[M]. Beijing:Weapons Industry Press,2000.

〔10〕 康海江,许晨,李涛. 黑岱沟露天煤矿抛掷爆破效果综合评价[J]. 露天采矿技术,2012,27(4):80-82.

KANG Hai-jiang,XU Chen,LI Tao. Comprehensive evaluation on the effect of casting blast for Heidaigou open pit coal mine[J]. Opencast Mining Technology,2012,27(4):80-82.

〔11〕 马力,李克民,丁小华,等. 抛掷爆破岩体抛掷距离影响因素研究[J]. 工程爆破,2013,19(2):50-53.

MA Li, LI Ke-min，DING Xiao-hua,et al. Study on the influencing factors on casting distance of rock by casting blast[J]. Engineering Blasting,2013,19(2):50-53.

Design optimization and benefit analysis about cushion blastholes in cast blasting of open-pit coal mine

SONG Ri

(Explosive Plant， Shenhua Group Zhungeer Energy Co．， Ltd．， Ordos 010300, Inner Mongolia, China)

ABSTRACT：Gas spacer block and site mixed porous granular ANFO explosive were used in the first two rows of cushion blastholes with divided charge in high bench cast blasting of Heidaigou open-pit coal mine. The charging process would last about 5 to 10 days, so blastholes might be collapsed and the cost would be higher. Through the analysis of the problem，site mixed low-desity ANFO explosive was continuously charged in the cushion blastholes. The charging efficiency was improved, the charging time was shorten and the utilization of blastholes was improved. The aim of blasting energy uniform distribution in blastholes axes was achieved. It was good for formation of cracks in presplitting blastholes and maintaining the width. Meanwhile, the blasting cost was reduced and the good economic benefit was created. It could provide a reference for similar blastings.

KEY WORDS:Open-pit coal mine； Cast blasting； Cushion blasthole; Blasting optimization； Low-density ANFO explosives； Economic benefit

文章编号：1006-7051(2016)02-0034-04

收稿日期：2016-03-20

作者简介：宋 日(1964-)，男，教授级高级工程师，主要从事现场混装炸药生产和露天矿山爆破工作。E-mail：Shznzycsr@163.com

中图分类号：TD235.31； TD824.2

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.007